段英杰 霍新宇 王惠潔 盧洪武

摘 要：在礦井、火災、震災反恐等特殊環(huán)境下，人類一般無法第一時間到達現(xiàn)場，研制一款機器人代替人類探測并將圖像、視頻信息快速回傳意義重大。WiFi是一種無線局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術，憑借組網(wǎng)方便、易于擴展等特點，有著廣泛的應用前景。文中將二者結合，設計了以WiFi為數(shù)據(jù)傳輸載體，實現(xiàn)實時視頻傳輸及控制的機器人系統(tǒng)。

關鍵詞：WiFi；機器人；傳感器；無線數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-02

0 引 言

在安防現(xiàn)場、礦井勘測、應急救援等特殊環(huán)境中，需要將現(xiàn)場檢測到的圖像信息及時傳遞至監(jiān)控指揮中心，由于大部分視頻監(jiān)控設備移動性差以及部分監(jiān)控現(xiàn)場存在風險性等原因，致使很多情況下實時移動監(jiān)控難以實現(xiàn)[1]。本文將Android開發(fā)與OpenWrt系統(tǒng)開發(fā)相結合，設計基于WiFi的智能視頻監(jiān)控遙控機器人，可通過手機實時收看現(xiàn)場圖像并發(fā)送控制指令，遙控機器人的運動，第一時間掌握所需要的全部視頻圖像信息，并可現(xiàn)場錄像隨時拍照[2]。

1 系統(tǒng)總體設計

WiFi視頻回傳機器人由履帶車體、無線路由器、攝像頭及云臺、核心控制板、機械臂及上下位機控制軟件等構成[3]?？傮w設計思想是把無線路由器通過刷入開源的Openwrt系統(tǒng)，使之成為一個運行于Linux系統(tǒng)的小電腦，利用WiFi的高速無線通信能力將符合H.264標準的圖像壓縮信號回傳到手機或電腦上位機上顯示，并通過上位機發(fā)送控制指令，遙控機器人的運動。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)硬件由車體部分、路由器、攝像頭及云臺、核心控制板、機械臂等構成，其中核心控制板主控芯片采用MSP430F149，MSP430系列單片機是16位的RISC架構單片機，125 ns指令周期，相較于傳統(tǒng)的51單片機，數(shù)據(jù)吞吐量更大[4]。MSP430系列單片機擁有豐富的外設和接口，USART串行接口能夠完成與WiFi模塊的通信，16位定時器具有捕獲/比較功能，方便產(chǎn)生多路舵機控制信號和帶死區(qū)控制的PWM電機調速信號[5]。電路部分主要包括電源模塊、電機驅動、舵機驅動、下載串口、單片機電路、紅外壁障、車燈控制以及數(shù)據(jù)通信接口等，將電機驅動、穩(wěn)壓、紅外等集成到一起，減少PCB面積，降低成本。

2.1 車體部分

WiFi機器人以坦克模型作為底盤，采用履帶式，此方式抓地能力強，可以輕松越過矮小障礙，并且具有速度快、噪音低等優(yōu)點。我們在機器人上安裝了4自由度機械臂，可以前后左右上下六個方向完成各種復雜動作，排除前進障礙。車身裝配2個12 V/120轉直流電機，電池組電源12 V，可多個并聯(lián)使用，為機器人提供持久動力。

2.2 攝像頭及云臺

自由度攝像頭云臺水平旋轉角度為±85度，俯仰旋轉角度為-10度～+75度。攝像頭采用30萬像素的高速工業(yè)攝像頭模塊，適合動態(tài)拍攝，其接口采用USB通信協(xié)議，回傳的視頻圖像清晰，滿足設計需要。云臺由2個MG995數(shù)字舵機及其他輔助材料構成，下位機接收到控制命令，控制這兩個舵機完成攝像頭上下左右四個方向的轉動，擴大視野范圍。

2.3 WiFi（路由）模塊

WiFi模塊采用搭載高通AR9331芯片的普通無線路由器刷入開源的Openwrt系統(tǒng)，成為一個運行Linux系統(tǒng)的小電腦，主要實現(xiàn)視頻采集、數(shù)據(jù)傳輸、轉發(fā)等功能。該模塊符合國際標準的802.11 b/g/n協(xié)議，采用DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK和QAM基帶調制技術，能自適應路由器等設備的無線熱點，最大連接速率可達150 Mb/s。天線將傳輸線上傳播的導行波變換為在自由空間中傳輸?shù)碾姶挪ǎòl(fā)射）以及相反變換（接收）[6]。

2.4 電機、舵機驅動模塊

電機驅動模塊采用BTN7960B，它是一個完全集成的高電流半橋，因此采用兩片構成全橋實現(xiàn)電機的正反轉。BTN7960B提供了一個保護高電流PWM電機驅動器的成本優(yōu)化解決方案，并且占用非常小的電路板空間。電源開關采用垂直MOS技術，確保最佳狀態(tài)阻力。圖2所示為BTN7960B與單片機組成的H電機驅動單元。

圖2 電機驅動電路

機械臂部位安裝MG995舵機，其內部使用空心杯電機，金屬齒輪，雙滾珠軸承，最大扭矩為13 kg，能夠滿足機械臂的要求。舵機驅動電路使用LM2596ADJ開關型穩(wěn)壓芯片，能夠穩(wěn)定輸出3 A的負載電流，其輸出電壓可調到6 V左右，最大不能超過6.5 V。該器件集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，允許我們使用更小尺寸的濾波器件，極大地簡化了電源電路設計[7]。同時，3 A的大電流能夠滿足多個舵機同時工作的電流需求，減少舵機間的電源干擾。在電路設計中，我們還使用了多個濾波電容，在輸入端增加了濾波電感，進一步提高電源的穩(wěn)定性。云臺舵機選用輝盛SG90舵機，響應快，其重量僅為9 g，適合云臺使用。

3 系統(tǒng)的軟件設計

軟件部分是機器人智能化的體現(xiàn)，它控制機器人所有的運行狀態(tài)，主要包括主程序設計、運動控制軟件設計、無線WiFi路由器的刷機改造、無線WiFi路由器與單片機通信協(xié)議及軟件設計、基于安卓的智能手機客戶端控制軟件設計等[8]。軟件系統(tǒng)體系結構如圖3所示。

3.1 通信協(xié)議

通信協(xié)議是連接上位機與下位機的紐帶，由于單字符通信方式干擾較大，故采用數(shù)據(jù)包格式傳送指令，包頭用OXFF，包尾用OXFF，無校驗位。部分協(xié)議規(guī)定如表1所列。

3.2 上位機

上位機是發(fā)送指令的部分，它向路由器發(fā)送視頻請求，路由端的視頻處理程序會把獲取的USB攝像頭視頻傳回上位機進行解碼并顯示。

備注：電機動作指令由于各人的接線方式不同，可能指令與動作不對應，只需要在上位機指令設置中調整指令位置即可

上位機的編寫通過TCP/UDP等通信方式，用Socket連接把數(shù)據(jù)發(fā)送到路由端[8]，本設計采用Client模式，路由端是服務器模式，無需轉發(fā)操作，直接連接WiFi機器人即可操控?？蛻舳塑浖腔诎沧肯到y(tǒng)的App，通過修改網(wǎng)絡開源碼的通信協(xié)議部分代碼重新編譯開發(fā)而成，再整合安卓App和底層驅動程序構建機器人軟件控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個機器人的實時控制[9]。上位機界面如圖4所示。

圖4 操作終端

3.3 下位機

跑在單片機系統(tǒng)的程序稱為下位機，在Keil5用C語言編寫下位機程序，包括初始化、外部中斷、定時器中斷、串口中斷、PWM中斷、AD中斷等[10]，其作用是接收來自上位機的數(shù)據(jù)，并根據(jù)通信協(xié)議解碼分析，判斷上位機發(fā)出的是何種動作，再為單片機芯片指定引腳賦高低電平，從而實現(xiàn)控制舵機使攝像頭云臺旋轉及機械手臂轉動、電機轉向、紅外壁障、車燈控制、拍照等功能。

4 結 語

本文對基于安卓App遙控，以WiFi為視頻傳輸媒介的機器人的結構設計及工作原理進行了闡述，經(jīng)過實際調試運行，WiFi Robot的實際控制距離能達到10 m。WiFi機器人具有實時視頻傳輸、人工自主控制、紅外壁障等功能，而且采用WiFi自發(fā)射直接和手機通信，無需依賴公共通信網(wǎng)，特別適合無網(wǎng)絡覆蓋的災難救援現(xiàn)場及偏遠地區(qū)的反恐偵察使用。

參考文獻

[1]王宇陽，楊奕，韓志.基于Android設備的WiFi智能監(jiān)控機器人設計[J].計算機與數(shù)字工程，2014，42（12）：2410-2414.

[2]劉啟彬.煤礦救援機器人軟件系統(tǒng)研究[D].西安：西安科技大學，2009.

[3]張學武，何玉鈞.基于WiFi的遠程視頻傳輸智能機器人設計[J].電子科技，2013，26（2）：4-7.

[4]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[5]李自珍，郭寶安.MSP430系統(tǒng)應用結構設計與選型[J].單片機與嵌人式系統(tǒng)應用，2007，7（7）：11-13.

[6]李楊.WiFi技術原理及應用研究[J].科技信息，2010（6）：241.

[7]邱關源，羅先覺.電路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[8]曾彥淞，王忠民，王晨.基于WiFi的移動機器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].西安郵電學院學報，2012，17（4）：87-91.

[9]擺云.基于Android開放平臺和無線通信網(wǎng)絡的實時音視頻傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].蘭州：蘭州大學，2012.

[10]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.